基于跨層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度與路由算法研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由選擇和鏈路資源分配是一個聯(lián)合優(yōu)化問題，有效解決該問題的方法是采用聯(lián)合物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的跨層聯(lián)合優(yōu)化機制。由于無線傳感器網(wǎng)路所具有的節(jié)點能量受限特性以及鏈路間干擾，使得實現(xiàn)這一目標成為條件受限的非線性優(yōu)化問題。本文根據(jù)最大化效益理論，首先，對影響系統(tǒng)目標優(yōu)化的分集特性理論進行了分析，其中包括：頻率選擇型分集、地點分集、時間分集以及成員節(jié)點隊列分集。然后，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用自組織分群的管理機制所需涉及的資源分配

2、和路由節(jié)點選擇問題，利用最大系統(tǒng)效益函數(shù)建立了聯(lián)合路由選擇和鏈路資源分配的跨層優(yōu)化模型，并對優(yōu)化過程中需要解決的幾個關(guān)鍵性問題，提出了針對性有效實現(xiàn)算法。 通過系統(tǒng)性的整體分析可以得出：由于路由鏈路傳輸性能決定于鏈路信道的質(zhì)量，因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由鏈路建立及鏈路資源調(diào)度問題具有相互影響特點。根據(jù)最大系統(tǒng)效益理論，建立了基于最大總體效益函數(shù)值的系統(tǒng)資源優(yōu)化模型。利用效益函數(shù)，推導出有效的相關(guān)因素數(shù)學關(guān)系計算方程。此外，設(shè)計

3、了能夠?qū)崿F(xiàn)路由鏈路資源分配公平性的效益函數(shù)集，改善了系統(tǒng)資源調(diào)度整體性能。該系統(tǒng)模型的建立為后續(xù)問題的解決提供了理論分析依據(jù)。 根據(jù)有向圖理論，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)有效路由選擇機制的具體解決方法進行了分析。針對該問題所需要的資源利用有效性問題，在節(jié)點能量受限條件下，提出了一種基于聯(lián)合物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的跨層資源分配方案，并設(shè)計了基于局部分群管理的路由機制。采用所提出的分群路由管理方式，極大地減少了每個群內(nèi)的成員節(jié)點數(shù)據(jù)計算和

4、傳輸任務(包括路由選擇)所需的資源開銷，較大程度的減少了大量成員節(jié)點的負載量，有效降低了成員節(jié)點能耗，在不同的網(wǎng)絡(luò)負載狀態(tài)下，都能夠使系統(tǒng)具有較高的資源分配有效性。 針對基于OFDM接入的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由鏈路頻率調(diào)度問題，理論分析了影響系統(tǒng)優(yōu)化模型實現(xiàn)的兩個主要因素：同頻鏈路干擾分集和成員節(jié)點隊列分集。根據(jù)理論分析結(jié)果，提出了一個動態(tài)子載波分配算法。通過對同頻鏈路干擾因素的時間分布相關(guān)性預測，該算法確定了有效分配子載波的統(tǒng)計周

5、期間隔，能夠為OFDM無線傳感器網(wǎng)絡(luò)群內(nèi)成員節(jié)點提供較好的路由鏈路傳輸性能。 時變的同頻鏈路間干擾導致了鏈路的不穩(wěn)定性，使采用子載波復用的OFDM無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量最大化問題具有較高的實現(xiàn)復雜度。為解決該問題，通過對基于時間失效的自動放棄策略和基于信噪比淹沒的自動放棄策略進行研究，提出了一種基于啟發(fā)式搜索的子載波分配算法(DSA)。為進一步改進全局公平性，對DSA算法采取了全局公平性控制機制，提出了全局公平調(diào)度算法(GPCS